最小抵抗線對深孔巖石爆破塊度的影響

周 游， 陳作彬， 王 靜， 謝興博， 溫尊禮

(1.解放軍理工大學 野戰工程學院， 南京 210007； 2.核工業南京建設集團有限公司， 南京 210003)

最小抵抗線對深孔巖石爆破塊度的影響

周 游1， 陳作彬2， 王 靜2， 謝興博1， 溫尊禮2

(1.解放軍理工大學 野戰工程學院， 南京 210007； 2.核工業南京建設集團有限公司， 南京 210003)

針對最小抵抗線對深孔巖石爆破塊度影響的問題，應用相似理論推導深孔巖石爆破中爆破塊度與其影響因素的關系，得到小臺階模型下的相似律，并以此為依據進行了現場小臺階模型實驗。通過對實驗結果的分析，得到最小抵抗線對深孔巖石爆破塊度的影響規律：隨著抵抗線的增加，爆堆特征塊度和均勻指數均增加。將此結論運用于連云港核電擴建山體爆破開挖工程，確定其最小抵抗線范圍為3.5～4.5 m，爆破后規格石料的成材率相比一期工程提高了23%，達到了預期效果。證明此設計合理，可為同類工程提供參考。

最小抵抗線；爆破塊度；相似理論；小臺階模型實驗

1 引言

隨著國民經濟發展中一些重大工程，尤其是一些大型港口、航道等交通工程和核電工程的相繼動工建設，工程爆破技術的作用日益重要。由于爆破完成后期需要及時將爆堆鏟裝運輸，適宜的大塊率能夠縮短作業周期，減少二次爆破量，節省工程成本，因此爆破塊度作為衡量工程爆破質量的主要指標而愈發重要。在深孔巖石爆破中，有多達數十個的因素影響巖石爆破塊度，其中包括孔網參數、炸藥參數、巖石參數及其力學特征等各種不同類型的因素，它們共同決定了巖體爆破塊度，而其中最小抵抗線的大小對爆破后的大塊率和平均塊度等具有直接影響，因而在爆破參數設計中是一個不可忽略的重要因素。

爆破塊度的控制是一項較為復雜的爆破技術，20世紀60年代以來，各國學者細致研究了巖石爆破塊度控制技術，對影響爆破塊度的因素也進行了大量的研究。馬建軍等〔1〕建立了一種露天礦多排孔臺階爆破塊度計算模型，定量分析了網孔參數和爆破塊度的關系；周傳波〔2〕通過對現場小臺階模型實驗進行相似理論分析,得到了該實驗條件下的模型相似律，模型計算結果和工程生產實際吻合較好；成雪純等〔3〕從巖體結構和孔網參數兩方面較詳細地闡述了其對爆破塊度的影響，為達到控制爆破塊度尺寸的目的，提出了應在鉆孔前確定巖體主結構面并對孔網參數進行優化設計的措施。目前，對控制爆破塊度影響因素的研究已取得一定進展，但是最小抵抗線作為影響爆破塊度的一個重要因素，單獨將其進行研究的文章仍然鮮見報道。

本文對影響爆破塊度的因素進行了分析，利用相似定理得到了小臺階模型實驗中的模型相似準則，并以此為依據進行了小臺階模型實驗，通過對實驗結果的分析得到了最小抵抗線對爆破塊度的影響規律，并將結論運用于連云港核電擴建山體爆破開挖工程。

2 最小抵抗線選取分析

在深孔爆破設計中，最小抵抗線是一個非常重要的參數，它直接影響每米鉆孔爆破量、拋散距離和塊度的破碎效果。根據相關的爆破要求和巖石性質，爆破有關參數(如孔距、排距、填塞長度等)的選取也會隨著最小抵抗線的變化受到一定影響。因此，最小抵抗線的選取需要慎重。本文“最小抵抗線”特指深孔臺階爆破的“前排炮孔最小抵抗線”。

在既定的巖體性質、炸藥性能、裝藥結構及特定的起爆條件下，當最小抵抗線變化時，將對爆破質量造成很大影響。鄭瑞春等〔4〕曾進行室內砂漿模型實驗，系統研究了最小抵抗線對爆破質量的影響規律，研究結果表明：X50(篩下累積率為50%時的篩孔尺寸)隨抵抗線的增加呈單調增加。因此，抵抗線不能取太大，以保證取得較好的爆破質量。

規格石料的生產中，有苛刻的級配要求，應當使爆破后的巖塊最大化地利用，所以不能按常規的方法來確定最小抵抗線。當最小抵抗線改變時，孔距和臺階高度等參數也隨之變化，因此會對爆破塊度產生較大影響，進而規格石料的產出和利用率也會受到影響。生產的巖體塊度應該滿足級配要求中各級巖石塊度的占比，此時選取的最小抵抗線是級配要求下的一個范圍，可根據模型計算或設計現場小臺階實驗進行選取。

3 小臺階模型實驗的相似律推導

連云港核電擴建山體爆破工程中，根據現場條件，最小抵抗線取值較小(不超過25 m)，可以忽略重力效應，原型與模型滿足幾何相似律〔5〕。

3.1 小臺階模型實驗中的變量

對爆破塊度產生影響的因素主要來自4個方面。

(1)網孔參數。最小抵抗線W，孔距a，孔徑d，排距b。

(2)巖石參數。巖石密度ρr，巖石抗拉強度σt，巖石縱波速度cλ。

(3)炸藥參數。炸藥密度ρb，炸藥爆轟速度v，炸藥質量q。

(4)起爆時間。延時時間τ。

3.2 影響因素量綱分析

以長度量綱L，質量量綱M，時間量綱T為基本量綱〔6〕，各物理量量綱如表1所示。

表1 變量與量綱

根據相似第二定律，爆破塊度線性尺寸x與影響因素的函數關系式為

x=f(W,a,d,b,σt,ρr,cλ,ρb,v,q,τ)

(1)

以v、q、W為基本量綱，式(1)可以寫成無量綱形式:

(2)

小臺階模型實驗在爆破現場進行，即小臺階模型實驗與原型(生產爆破)的巖體情況和爆破條件完全相同，故模型與原型的巖體情況和爆破條件相似，且相似常數為1〔7〕。下標p表示原型，m表示模型。取原型與模型的幾何尺寸相似常數為r，則3個基本量綱的相似常數為

(3)

根據模型相似律與相似準則，式(2)中模型與原型的無量綱項應該分別對應相等，可得:

(4)

(5)

(6)

由該模型的相似律式(3)～式(6)可知，實驗選定的幾何相似常數r，確定了現場小臺階模型實驗與生產原型的爆破塊度尺寸關系。當所有有關自變量滿足上述模型律與相似準則時，原型和模型的爆破塊度尺寸滿足關系式xp/xm=r。

4 小臺階模型實驗

小臺階模型實驗在連云港核電擴建山體爆破開挖現場進行，根據模型實驗結果為爆破參數的確定提供依據。通過現場小臺階模型實驗，選取合適的幾何相似常數r，調整孔網參數，獲得模型實驗爆破塊度分布結果，并通過統計回歸分析，得到最小抵抗線對爆破塊度的影響規律，達到控制大塊和獲得合適級配的目的，為實際施工提供參考，并獲得可供推廣的巖石爆破塊度控制技術。

4.1 小臺階模型實驗參數設置

根據以上相似理論，分析得出了原型與模型的幾何相似常數為設定的r值，巖石力學及材料相似常數為1。

連云港核電擴建山體，巖性為含二長淺粒巖和以脈狀產出的綠泥石片巖，巖石堅固性系數f=14～18。相關物理力學指標為飽和狀態塊體密度2 600 kg/m3、飽和吸水率0.68% 、飽和抗壓強度123.3 MPa，抗拉強度12.41 MPa，飽和狀態彈性模量5.74×104MPa。模型實驗按幾何常數r=10取值，小臺階模型實驗及其原型參數如表2所示。實驗采用生產原型炸藥,2#巖石乳化炸藥，巖石及炸藥性能參數如表3所示。

表2 原型與模型爆破參數

表3 原型與模型巖石及炸藥性能參數

4.2 小臺階模型實驗方案

實驗根據實際施工情況，選取雙排扇形孔形式進行，孔徑40 mm，臺階高度為1.2 m，單孔裝藥量相同，實驗選取最小抵抗線為0.3，0.35，0.4，0.45，0.5 m，取炮孔密集系數m=1.2～1.5，每一種抵抗線進行2次實驗，共完成10次模型實驗(見表4)。現場實驗布置如圖1所示。

表4 模型實驗參數

4.3 小臺階模型實驗結果分析

對每種抵抗線爆堆分布進行篩分統計，并進行統計平均(見表5)。進行一元線性回歸，可求出分布參數X0和均勻指數n(G-G-S分布)。爆破塊度分布回歸結果如表6所示。

圖1 現場布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the site layout

最小抵抗線W/m塊度小于或等于x的巖塊體積百分比/%x/cm34568101203035235104612268778598925597100353011450355726510832191789746040265431634198569182209312965904521993510481358117074836891730501540240138964481606077439245

分析實驗結果，得出均勻指數n隨抵抗線的變化如圖2所示，特征塊度隨抵抗線的變化如圖3所示。

由圖2可以看出，均勻指數隨著抵抗線的增大而變大(從1.54增大到1.99)，說明巖石塊度均勻性隨著抵抗線的增大而變差,n值越大時，爆破后巖塊的超大塊數量增多。

表6 雙排孔小臺階模型實驗塊度分布回歸結果

圖2 均勻指數n隨抵抗線的變化曲線Fig.2 Change curve of n with W

圖3 特征塊度X0隨抵抗線的變化曲線Fig.3 Change curve of X0 with W

由圖3可知，爆堆特征塊度X0均隨抵抗線的增大而增大，試驗中特征塊度從5.36 cm 增大到7.82 cm。X0越大，巖塊的平均塊度越大；X0越小，平均塊度越小。

K50與特征塊度具有相似的變化規律(見圖4)。K50隨抵抗線增大而變大，且當抵抗線大于0.45 m時，K50的值增長更加迅速。

連云港核電擴建山體爆破工程開采出的石料主要在連云港港口使用，需求的規格石料級配繁多，要求嚴格，比如用于陸域及碼頭結構建設、港區建設中導流堤和圍堤的填筑，對巖石級配有特定要求。同時，海堤填筑作業中，受施工條件的限制，一定時期內，各種規格級配的石料需求強度也不同。由于海島地形的限制，很難就近找到寬敞平坦的場地，對爆破石料全部進行按級配要求分堆后集中供應，而且巖塊的分級、分堆困難也會加大施工成本、延長作業工期。因此，爆破施工必須根據石料級配的需求以及現場具體條件，及時準確地調整爆破參數，盡可能滿足實際需求及方案的可行性。根據以上分析，確定連云港核電擴建山體爆破工程的較佳最小抵抗線范圍為3.5～4.5 m。爆破后發現爆堆集中，爆破塊度大小分布合理，滿足級配要求，對爆破塊度進行統計,規格石料的爆破成材率相比一期工程提高了23%，取得良好的爆破效果。

圖4 K50隨抵抗線的變化曲線Fig.4 Change curve of K50 with W

5 結論

(1)應用相似理論，推導深孔巖石爆破中爆破塊度與其影響因素的關系，得到了現場小臺階模型試驗中的模型相似律。開展的最小抵抗線模型試驗結果表明，最小抵抗線對爆破塊度影響顯著，隨著抵抗線的增加，爆堆特征塊度和均勻指數均增加，在一定范圍內，抵抗線越大，爆破塊度越大，而且越不均勻。

(2)強調巖石級配的工程，可適當增加最小抵抗線，而著重于生產成本控制、強調大塊率盡可能小的工程，可適當減小最小抵抗線。針對連云港核電擴建山體爆破工程，其較佳最小抵抗線為3.5～4.5 m。

(3)在連云港核電擴建山體爆破工程中，根據小臺階模型試驗確定的最佳抵抗線范圍設計的爆破方案，使爆破后的規格石料成材率相比一期工程提高了23%，爆破效果良好，可為類似工程提供經驗。

〔1〕 馬建軍，陳付生．露天礦多排孔臺階爆破塊度計算模型研究[J]．武漢冶金科技大學學報，1996，19(1)：4-12．

MA Jian-jun, CHEN Fu-sheng. A mathematical model of multihole blasting fragmentation of the open pit bench [J]. Journal of Wuhan University of Metallurgy Science and Technology, 1996，19(1): 4-12.

〔2〕 周傳波．現場小臺階模型試驗的相似理論分析[J]．爆破，2001，18(4)：4-6．

ZHOU Chuan-bo. The analysis of similarity theory in the model test on field smaller bench [J]. Blasting, 2001,18(4): 4-6.

〔3〕 成雪純，李澤華，張昌鎖．巖體爆破塊度控制與工程應用研究[J]．煤炭技術，2015，34(9)：3-5．

CHENG Xue-chun, LI Ze-hua, ZHANG Chang-suo. Research on mechanism and application of blasting fragment size [J]. Coal Technology, 2015，34(9): 3-5.

〔4〕 鄭瑞春，馬柏令，高士才．爆破參數對破巖質量的影響規律及小抵抗線大孔距爆破機理的探討(上)[J]．爆破，1987，4(2)：5-10．

ZHENG Rui-chun, MA Bo-ling, GAO Shi-cai.The effect of blasting parameters on rock blasting quality and discussion on mechanism of small resistance line and big deep-hole(Volume I)[J]. Blasting, 1987,4(2): 5-10.

〔5〕 談慶明．量綱分析[M]．合肥：中國科學技術大學出版社，2005：120-129．

TAN Qing-ming. Dimension analysis [M].Hefei: Press of University of Science and Technology of China, 2005：120-129．

〔6〕 楊亞東，李向東，王曉鳴，等．密閉空間內爆炸縮比相似模型研究[J]．振動與沖擊，2014，33(2)：128-133．

YANG Ya-dong, LI Xiang-dong, WANG Xiao-ming, et al. Scale similarity model of internal explosion in closed field [J]. Journal of Vibration and Shock, 2014，33(2): 128-133.

〔7〕 李海洪，李啟月，肖六杏，等．基于相似理論的中深孔爆破參數優選[J]．采礦技術，2009，9(4)：110-111．

LI Hai-hong, LI Qi-yue, XIAO Liu-xing, et al.Optimization of blasting parameters in deep-hole blasting based on similarity theory [J]. Mining Technology, 2009,9(4): 110-111.

Effects of minimum burden on deep-hole rock blasting block size

ZHOU You1, CHEN Zuo-bin2, WANG Jing2, XIE Xing-bo1, WEN Zun-li2

(1.College of Field Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007,China; 2.Nuclear Industry Nanjing Construction Co., Ltd., Nanjing 210003, China)

Aiming at investigating the effects of minimum burden on the rock blasting block size, similarity theory was applied to deduce the relationship between rock blasting block size and its influence factors. The similarity rule was obtained and the model tests of small bench blasting were conducted based on the rule. The effect law of minimum burden on rock blasting block size were obtained through analyzing the tests results, which showed that blasting block size and homogeneity index increased with minimum burden added. It was applied in mountain blasting of Lianyungang nuclear power plant extension engineering, the minimum burden was determined from 3.5 m to 4.5 m, and the rock rolling yield increased by 23% compared with the first stage construction. This design was proved reasonably and it could provide a reference for similar projects.

Minimum burden；Blasting block size；Similarity rule；Model test on small bench

1006-7051(2016)06-0070-05

2016-04-27

周 游(1994-)，男，碩士，從事爆破技術研究工作。E-mail：707166077@qq.com

陳作彬(1973-)，男，高級工程師，從事巖土爆破工程施工與技術管理工作。

TD235.46

A

10.3969/j.issn.1006-7051.2016.06.016